火災被害를 입은 鐵筋콘크리트 보의 溫度分布算定을 통한 解析的殘存耐力評價硏究

Abstract

콘크리트는 낮은 열전도율과 열확산계수로 인해 우수한 내화, 내열재료로 인식되어, 화재 후에도 간단한 보수 보강을 통해 재사용 되어왔다. 그러나 장시간의 고온에 노출될 경우에는 재사용 여부를 판별하기 위한 잔존내력의 결정과 보수 및 보강에 대한 실험·해석적 연구가 필요하다고 볼 수 있다. 기존의 연구는 단위 구조부재의 내화성능에 관한 실험적 연구가 주를 이루고 있으며, 특히 철근콘크리트 휨 부재에 대해서는 재료가 가진 열역학적 측면에서의 열전도 해석과 고온에서의 재료 역학적 특성변화 측면에 초점을 두고 유한요소프로그램을 이용한 해석적 연구가 진행되는 추이이다. 그러나 실험의 규모와 경제성에서 한계가 있으며, 또한 기존의 내력평가에 관한 대부분의 연구는 사전 비재하·가열 조건으로 화재시의 구조부재 평가에 초점을 두고 있다. 하지만 화재진압 후 상온에서의 휨 부재에 대한 잔존내력평가에 관한 연구는 거의 진행되지 않은 상태이며, 또한 화재 후 평가를 통해 철근콘크리트 휨 부재에 대한 추후 보수·보강에 대한 연구는 부족한 상태이므로 이에 대한 연구의 필요성이 제기된다. 본 연구에서는 화재 피해를 입은 철근콘크리트 보에 대해서 화재 전 후의 잔존내력을 해석·평가함에 있어서 부재 단면 온도분포에 따른 부재구성 재료인 철근과 콘크리트의 역학적 성상변화에 대한 해석 모델식을 제안하고, 화재 후의 보수공법에 사용되는 보수재료에 따라 화재 후 보수효과를 해석적으로 평가·분석하여 향후 보수·보강 방법 개발의 기초적인 자료를 제공하고자 한다 본 연구에서는 비선형 유한요소해석(finite element analysis, 이하 FEA) 기법을 도입하여 FEA해석 프로그램인 Total-Temp, Total-RC를 이용, 해석적 고찰을 수행하려고 하며, 화재노출시간을 주요 변수로 하여 이에 따른 철근콘크리트 보의 잔존강도의 추정과 내력저하의 평가를 수행하고자 한다. 본 연구에서는 잔존내력 평가를 해석적으로 수행한 다음과 같은 결론을 얻었다. (1) 철근콘크리트 보에 대한 단면 내 온도해석 및 비선형 FEA 해석기법을 통해서 각각 ACI에서 제시하는 온도분포 실험값 및 내력평가 본 해석에서 실험과 비교하여 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있었다. (2) 단면 온도분포 해석에서 본 연구의 대상 구조체가 장시간(3시간) 화재에 노출될 경우, 내화구조기준상 강재 의 허용온도범위를 초과하여 구조적인 불안정 상태에 도달할 가능성도 있는 것으로 분석되었다. (3) 화재 후 휨 부재의 잔존내력은 고온에서의 재료모델과 더불어 부착저감계수를 비롯한 기존연구들을 바탕으로 한 일부 재료모델을 새롭게 제시함으로서 해석적 평가가 수행 가능하였다. (4) 화재시간에 따른 철근콘크리트 보의 내력성능저하는 처짐(L/240)이 10mm정도 되었을 때의 하중비교를 통해서 가열시간별 잔존내력 평가를 할 수 있었으며, 보수 및 보강의 여부를 판단하는데 있어서 이러한 해석적 접근이 가능함을 알 수 있었다. (5) 화재 후의 보수한 보 부재에서 보수재의 인장강도에 따른 소정의 내력회복효과는 기대할 수 있었으나, 화재 노출시간이 장시간화 될수록 기대효과는 미비하였다. 단면보수를 함에 있어서 보수재와 부재와의 재료 역학적 관계에 따른 재료선택이 필요할 것으로 판단된다.; Generally, concrete is evaluated heat-resisting and fireproof materials, and universally used. But following the past studies, according to concrete gets more heat, the elastic modulus and compressive strength are decreased rapidly. During heating, changes of material and thermal stress are occurred and the interior of concrete is damaged sectionally. Thus, the dynamical characteristics of concrete are changed. Therefore, to grasp the degree of performance decrease of fire damaged reinforced concrete, we also have to predict and evaluate of internal temperature distribution of member section. To understand th thermal response of the building structures subjected to elevated temperatures, an information on the temperature distribution according to external heat and a full comprehension on th material behavior and model at the temperature condition are essential. But, most researches were focused on the time when structural members were in during fire. And the material model to analysis of structural behavior is generally concerned about standard codes or others. Especially, there are hardly any the researches for material model and evaluation of residual strength of structural members. This study is to get the proper evaluation of the residual property of reinforced concrete beam exposed to fire analytically. And this study is also the basis analytical research to find proper techniques of repair with fire damages and define the structural behavior of reinforced concrete beam according to pre-or post-repair after fire-damages. Analytical condition is focused of UE(specimen heated Unstressed, Tested at Room temperature) and UR(specimen heated Unstressed, tested at Elevated temperature). The program to analysis for the finite element method(FEM), the Total-RC program was used to analysis it and the Total-Temp program was also used to analysis the temperature distributions in th section. All of results were compared with the pre-experimental data of simple supported beam. Using it, the parameters influencing the structural capacity of the high temperature-damaged RC members and residual strength estimation are investigated. The temperature distribution and the structural capacity at the section are calculated in this step. An application of this method is performed and compare with the heating test result and residual property test for simple supported beam which is subjected to ISO 834 test fire. The result of this study are as follows; 1) The loads-displacement relationship of RC beam, considered with initial thermal stress of cross section and heat transfer analysis are estimated. Also comparing analytical value with experimental results. 2) By the heating time(0, 1, 2 hours), the results of analysis with parameters are that the residual strengths exposing at fire is affected. Based on this study summarized as above, the followings could be drawn as th conclusions: (1) Throughout the nonlinear finite element analysis, temperature distribution of section was obtained reliably comparing with the experimental result proposed by ACI 216. Also, evaluation about load capacity of RC beam was able to be carried out using FEA. (2) From the result of test at the normal temperature, it shows that the type of deflection in test coincidences of the result of analysis. And it is needed to propose the material models for analytical prediction and evaluation in case of unstressed residual strength test assumed at room temperature after fire. (3) To carry the analytical evaluation out assumed fire-damaged RC beam at normal temperature, the numerical models of material properties was proposed throughout existing standards and reports. (4) The analysis of load-deflection could be evaluated from not only standards concerned allowable deflection throughout the limitation of deflection is prescribed on L/240(beam L/240=10.00mm) but also fireproof standards. Therefore, it can be concluded that the maximum residual strength loss of fire-damaged beam below 1 hours is little and the member stiffness loss is 28.5% in case of 2 hours. (5) In case of the damaged RC beam repaired, the repaired RC beam recovered th initial member stiffness of over 90% in case of fire-damaged time 1 hour. The change of the tensile strength of repair materials was observed for the reparative effect of residual strength of fire-damaged RC beam. As the tensile strength of repair material is larger, the effect is noticeable finely. The maximum load value of the repaired beam is increased about 4～8%.